PCB课堂：电容的ESR知识汇总-PI仿真必学基础知识

ESR是Equivalent Series Resistance三个单词的缩写,翻译过来就是“等效串联电阻”。

  理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串联在一起,所以就起了个名字叫做“等效串联电阻”。

  如果觉得还是太抽象,给你个直观的解释。

  任何一个电容都会存在ESR,在电容电极之间始终都存在着一个电气性的电阻,如金属引脚电阻、电极极板电阻、以及它们之间的连接电阻等等。

  铝电解电容还包括存在于湿的电解质溶液的电阻、以及含有高电平“水”的铝氧化物(水合氧化铝)中的电阻等。

  下图表示了电解电容ESR的形成因素。

  通常,为了便于分析电容的ESR,多用下图的简化方式来表示:

  导致ESR变化的因素

  首先,管脚引脚和电容电极极板金属的电阻可以忽略,因为它们都非常小。

  造成高ESR的两个常见因素是:

  1)不良的电气连接;

  2)电解溶液的干枯。

  对于1),新、旧电解电容都有可能出现;

  对于2)多数都是发生在旧电解电容上。

  不良的电气连接问题主要是由于连接于电容内部的管脚引线不是铝金属材料,而且一直以来铝是不可焊的材料。

  对于铝质的电极极板材料和铜质的管脚材料来说,其电气连接主要采用所谓的“焊接”和机械压接方式。但是这两种方式都会产生较高的ESR。

  随着电解液水分的挥发,ESR也随之增大。

  ESR与电解电容的漏电相关?

  漏电是电容电极极板之间的并联电阻。而ESR仅仅是串联电阻,所以两者是完全不同的,即ESR是与漏电无关的。

  相反,当ESR足够大时还可以减少漏电电流。

  ESR的影响

  ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。

  比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源啦一类的,都使用低ESR的电容器。

  同样的,在振荡电路等场合,ESR也会引起电路在功能上发生变化,引起电路失效甚至损坏等严重后果。

  所以在多数场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的表现。

  ESR与频率之间的关系

  下图是音响输出电路中所使用的直流隔直电容的情况(图中红圈是电容)。

  下图是两个100微法电容(ESR分别为0和6欧姆)时其输出功率随输出频率变化的曲线。

  在低频端(60Hz)时两者的差别不大,但是在高频端(1KHz)时两者就相差很大了。形成这一差别的主要因素就是ESR与电容的容抗之间的关联关系。

  再进一步来说。

  如假设角频率为ω,电容器的静电容量为C,则理想状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式(1)表示。

图 理想电容器

  Z=1/jωC (1)

  由公式(1)可看出,阻抗大小|Z|如下图所示,与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗,故等价串联电阻(ESR)为零。

图 理想电容器的频率特性

  实际中,|Z|的频率特性如下图所示呈V字型(部分电容器可能会变为U字型)曲线,ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。

图 实际电容器

图 实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)

  |Z|和ESR变为曲线的原因如下:

  低频率范围:低频率范围的|Z|与理想电容器相同,都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。

  共振点附近:频 率升高,则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响,偏离理想电容器(红色虚线),显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率,此 时|Z|=ESR。若大于自振频率,则元件特性由电容器转变为电感,|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域,反之则称作感性领域。

  ESR除了受介电损耗的影响,还受电极自身抵抗行程的损耗影响。

  高频范围:共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出,与频率成正比趋势增加。

  ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。

  重要的是,频率越高,就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多,ESR和ESL与静电容量值一样,成为表示电容器性能的重要参数。

  ESR与功率之间的关系

  当电容需要承载很大电流的时候即使在工作频率较低的情况下也容易出现问题。比如在一些大电流开关电源里。

  例如,一只工作在60Hz、5A电源里的20000微法的电容,假设它的ESR为0.5欧姆,那么按照欧姆定律P=I×I×R,则电容内部将12.5W的功率消耗,由此而产生的热量将加速电解液的干枯并使得电容失效。

  而ESR也会降低滤波效果。如5V的TTL供电回路里如果存在0.5欧姆的电阻的话,将会产生高达2V的纹波电压,相当于纹波电压达到40%的程度。

  如果电容工作在高频高电流电路中,情况将更为严重。

  ESR也有“正能量”

  ESR也不一无是处,它也会被用来做有益的事。比如在稳压电路中,有一定ESR的电容,在负载发生瞬变的时候,会立即产生波动而引发反馈电路动作,这个快速的响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获取了后续的快速调整能力,尤其是功率管的响应速度比较慢,并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候,太低的ESR反而会降低整体性能。

  ESR是等效“串联”电阻,意味着,将两个电容串联,会增大这个数值,而并联则会减少之。

  实际上,需要更低ESR的场合更多,而低ESR的大容量电容价格相对昂贵,所以很多开关电源采取的并联的策略,用多个ESR相对高的铝电解并联,形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间,换来器件成本的减少,很多时候都是划算的。

  和ESR类似的另外一个概念是ESL,也就是等效串联电感。早期的卷制电容经常有很高的ESL,而且容量越大的电容,ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分,并且ESL也会引发一些电路故障,比如串联谐振等。但是相对容量来说,ESL的比例太小,出现问题的几率很小,再加上电容制作工艺的进步,现在已经逐渐忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。

  顺便,电容也存在一个和电感类似的品质系数Q,这个系数反比于ESR,并且和频率相关,也比较少使用。

  生产厂家为何不愿标示出来ESR呢?

  以电解电容为例,电解液的电阻是铝电解电容器等效串联电阻(ESR)的主要部分。多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的 主要原因主要是:相对于其它介质的电容器,铝电解电容器的ESR显得太大。如1μF/16V的普通铝电解电容器,其ESR一般在20Ω左右;100μF的 铝电解电容器,其ESR也是在1.5~2Ω之间。

  试想,这样的数据写在数据手册里肯定会影响应用者的应用铝电解电容器的信心。因此,在某种以上说,应用铝电解电容器是一种无奈的选择。会影响铝电解电容器的应用。

  对于一般应用的铝电解电容器,多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的,对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给出这个数据。

  其他

  由ESR引发的电路故障通常很难检测,而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是,在仿真的时候,如果无法选择电容的具体参数,可以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响,通常的,钽电容的ESR通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。

  ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R(ESR)×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压,而R表示电容的ESR,I表示电流。可以看到,当电流增大的时候,即使在ESR保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高。